多線程火工品壓藥機控制程序設(shè)計初探

　　引言

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的各種工控軟件往往要同時執(zhí)行多任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、控制信息實時計算和輸出、現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)和狀態(tài)的實時顯示、各種報表的實時顯示和打印、各種鍵盤命令的實時讀取和響應(yīng)以及數(shù)據(jù)通信等等。這些任務(wù)雖然在實時性上要求有些不同，但本質(zhì)上都是并行進行的，因此要求開發(fā)的控制系統(tǒng)能實現(xiàn)實時多任務(wù)。

　　火工品在運載火箭和導(dǎo)彈武器中的應(yīng)用極為廣泛，火工品壓藥機主要是用于火工品生產(chǎn)過程中壓藥工藝的專用自動化壓藥設(shè)備，本文結(jié)合一種精密氣動壓力機控制軟件的開發(fā)，分析在工控軟件中如何利用Windows提供的多線程技術(shù)。

　　多線程概述

　　作為一個多線程的操作系統(tǒng)，Windows實行的是搶先式多任務(wù)。在Windows環(huán)境中，每個正在運行的程序都建立一個進程，每個進程至少由一個線程組成，每個進程可以同時執(zhí)行多個線程。線程與進程是兩個相關(guān)的概念，進程是資源分配的單元，線程是系統(tǒng)調(diào)度的單元。在一個進程中存在的多個線程間要進行同步、通信，以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，如共享內(nèi)存映射文件、訪問共享數(shù)據(jù)以及使用同一消息隊列等。系統(tǒng)創(chuàng)建好進程后，實際上就啟動了主線程，主線程把程序的啟動點提供給Windows系統(tǒng)，而后按消息觸發(fā)隊列順序執(zhí)行。主線程與進程同時存在，同時消失。在多線程執(zhí)行中系統(tǒng)會根據(jù)線程的優(yōu)先級和同步要求分配時間單元用于執(zhí)行多個線程,這樣實現(xiàn)了多任務(wù)分時占有CPU ,可在一個段時間內(nèi)并行完成多個任務(wù),達到實時性要求,大大提高了系統(tǒng)資源的利用率,有利于用戶按要求完成復(fù)雜的任務(wù)。系統(tǒng)的處理器調(diào)度算法基于以下兩點:①基于線程優(yōu)先級的可搶占調(diào)度算法。②同優(yōu)先級線程采用按時間片輪轉(zhuǎn)的算法。CPU調(diào)度進程方式如圖1示。

　　多線程操作

　　線程的啟動

　　創(chuàng)建一個用戶界面線程，首先要從類CwinThread產(chǎn)生一個派生類，同時必須使用DECLARE_DYNCREATE和IMPLEMENT_DYNCREATE來聲明和實現(xiàn)這個CwinThread派生類。 而后，根據(jù)需要重載該派生類的一些成員函數(shù)如ExitInstance()、InitInstance()、OnIdle()、PreTranslateMessage()等，最后啟動該用戶界面線程，調(diào)用AfxBeginThread()函數(shù)的一個版本：

     CWinThread* AfxBeginThread( CRuntimeClass* pThreadClass,

      int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL,

       UINT nStackSize = 0,

        DWORD dwCreateFlags = 0,

        LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL )；

　　其中第一個參數(shù)為指向定義的用戶界面線程類指針變量，第二個參數(shù)為線程的優(yōu)先級，第三個參數(shù)為線程所對應(yīng)的堆棧大小，第四個參數(shù)為線程創(chuàng)建時的附加標志，缺省為正常狀態(tài)，如為CREATE_SUSPENDED則線程啟動后為掛起狀態(tài)。

　　對于工作線程來說，啟動一個線程，首先需要編寫一個希望與應(yīng)用程序的其余部分并行運行的函數(shù)如exec()，接著定義一個指向CwinThread對象的指針變量*pThread,調(diào)用AfxBeginThread(exec,param,priority)函數(shù)，返回值付給pThread變量的同時一并啟動該線程來執(zhí)行上面的exec()函數(shù)，其中exec是線程要運行的函數(shù)的名字，也是上面所說的控制函數(shù)的名字，param是準備傳送給線程函數(shù)exec的任意32位值，priority則是定義該線程的優(yōu)先級別，它是預(yù)定義的常數(shù)。

　　線程的終止

　　終止線程有三種途徑，線程可以在自身內(nèi)部調(diào)用AfxEndThread()來終止自身的運行；可以在線程的外部調(diào)用BOOL TerminateThread( HANDLE hThread, DWORD dwExitCode )來強行終止一個線程的運行，然后調(diào)用CloseHandle()函數(shù)釋放線程所占用的堆棧；第三種方法是改變?nèi)肿兞?，使線程的執(zhí)行函數(shù)返回，則該線程終止。

　　線程的同步

　　使用多線程開發(fā)用戶程序時，經(jīng)常需要協(xié)調(diào)兩種或多種動作，這種過程就稱作同步(Synchronization)。需要利用同步的原因是：(1)當(dāng)兩個或多個線程需要訪問一個共享的資源，而此資源一次只能被一個線程所使用； (2)當(dāng)一個線程正在等候由另一個線程所引起的事件。

　　Win32操作系統(tǒng)提供了幾種同步對象允許線程來同步它們之間的行為。這些同步對象包括臨界區(qū)(criticalse ction)、互斥量(mutexe)、信號量(semaphore)和事件(event)等。

　　(1)臨界區(qū)

　　臨界區(qū)是一小段代碼，它要求在執(zhí)行以前取得對某些共享數(shù)據(jù)的獨占訪問權(quán)。

　　(2)互斥量

　　互斥和臨界區(qū)非常相似，只不過它們可被用來同步多個進程間的數(shù)據(jù)訪問。

　　(3)信號量

　　信號量內(nèi)核對象用于系統(tǒng)的資源計數(shù)。它們?yōu)榫€程提供了查詢可用資源數(shù)目的能力，對某個線程如果有一個或者多個資源可用，可用資源計數(shù)就減1。只有在資源計數(shù)加1之后，系統(tǒng)才會讓別的進程訪問此資源。

　　(4)事件

　　事件對象是同步對象的最基本形式，它與互斥量和信號量大不相同?；コ饬亢托盘柫客ǔＳ脕砜刂茖?shù)據(jù)的訪問，但事件是用來發(fā)信號以表示某一操作己經(jīng)完成。

　　壓藥機控制系統(tǒng)多任務(wù)的實現(xiàn)

　　線程的分配

　　由于軟件的工作比較復(fù)雜，軟件設(shè)計時采用了4個線程完成。除了第一個主界面線程外還有執(zhí)行線程、顯示線程、A/D轉(zhuǎn)換監(jiān)視線程。

　　1.主線程的主要功能：

　　(1)創(chuàng)建兩個定時器，一個為50ms Windows定時器，其功能是向顯示線程發(fā)送消息，驅(qū)動顯示線程，另一個為20ms多媒體定時器，功能是向執(zhí)行線程發(fā)送消息，驅(qū)動執(zhí)行線程。

　　(2)主線程產(chǎn)生一個用戶線程，用于監(jiān)視A/D轉(zhuǎn)換事件。

　　(3)接收用戶從鍵盤輸入的信息，執(zhí)行相應(yīng)過程。

　　主線程流程圖如圖2所示。

　　2.執(zhí)行線程負責(zé)執(zhí)行自動壓藥，及停止自動壓藥等功能，本程序的大部分工作由執(zhí)行線程完成。執(zhí)行線程流程圖如圖3所示。

　　3.參數(shù)實時顯示線程負責(zé)實時顯示壓力值、保壓時間以及錯誤信息。

　　4. A/D轉(zhuǎn)換監(jiān)視線程用于監(jiān)視A/D轉(zhuǎn)換。

　　執(zhí)行線程的實現(xiàn)

　　如圖3所示，在本系統(tǒng)軟件中執(zhí)行線程完成系統(tǒng)的大部分工作，執(zhí)行線程函數(shù)的定義如下：

　　LRESUL
　　CJmqyView::OnTimerProc(WPARAM wParam, LPARAM lParam)
　　{
　　if( !bfPCL812PG ) //數(shù)據(jù)采集卡不存在
　　return( 1 );
　　InputFromPCL812PG(); //數(shù)據(jù)采集卡PCL-812PG 輸入操作
　　if(inBit.start && !inBit0.start )//啟動按鈕按下
　　OnStart();
　　else if( inBit.stop && !inBit0.stop ) //停止按鈕按下
　　OnStop();
　　execTask();             //執(zhí)行任務(wù)
　　OutputToPCL812PG();   //數(shù)據(jù)采集卡PCL-812PG 輸出操作
　　}　　

　　某壓藥機控制系統(tǒng)有豐富的人機界面來接受用戶的鍵盤以及鼠標操作，系統(tǒng)正是通過這些操作來完成整個控制系統(tǒng)的任務(wù)。當(dāng)控制系統(tǒng)啟動時，首先建立起主線程接受用戶的鍵盤、鼠標操作，完成用戶的工藝參數(shù)的輸入，啟動A/D轉(zhuǎn)化監(jiān)視線程，同時主線程也創(chuàng)建兩個定時器用以驅(qū)動執(zhí)行線程、顯示線程。主線程相應(yīng)定時器發(fā)送的定時時間到達消息，并分別發(fā)送消息驅(qū)動執(zhí)行線程或顯示線程。顯示線程將壓藥機的實時壓力、及保壓時間呈現(xiàn)在用戶界面上，方便用戶的下一步操作。

　　結(jié)語

　　在傳統(tǒng)的DOS環(huán)境下開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件為了實現(xiàn)并行多任務(wù)，采用基于中斷的調(diào)度和循環(huán)輪流的方式，CPU的利用率較低，而在Windows環(huán)境下則可以利用Windows提供的多線程技術(shù)，既可以方便的實現(xiàn)上述并行多任務(wù)，又充分利用了CPU時間。實踐證明，采用多線程技術(shù)開發(fā)的某型壓藥機控制系統(tǒng)軟件，較好的保證了系統(tǒng)在多任務(wù)環(huán)境下的實時性和穩(wěn)定性。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜，系統(tǒng)在同一時間所要執(zhí)行的任務(wù)不斷增加，多線程編程技術(shù)將會越來越明顯的體現(xiàn)出它的優(yōu)點。

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